CN107958619A - 外摆线轨迹演示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外摆线轨迹演示装置。该演示装置包括固设在支架上的支撑轴，支撑轴上套设有与其构成转动配合的副轴承座，所述副轴承座外侧设有跟随副轴承座转动的转动部件；支撑轴的伸出在副轴承座上部的端头处固设有定圆齿轮，转动部件上设置有与定圆齿轮构成外啮合的动圆齿轮，转动部件与所述动圆齿轮构成转动配合，所述动圆齿轮的外圆周处固设有画笔，该演示装置还包括罩设在所述画笔上侧用于显示画笔轨迹的透明罩，以及用于驱动所述副轴承座绕支撑轴转动的驱动装置，所述驱动装置通过驱动副轴承座旋转而带动动圆齿轮围绕定圆齿轮公转和自转。本发明能让参观者或学习者更加直观的感受到外摆线的形成和轨迹，并且适合长期的科普和教学使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种外摆线轨迹演示装置，主要用于科普教育和教学实践活动。
背景技术
摆线是数学中众多的迷人曲线之一，外摆线又称“圆外旋轮线”。它是这样定义的：一个动圆沿着一个定圆在定圆外作无滑动的滚动时，圆周上一定点的轨迹称为摆线。
物理学中的物体运动方程，在数学上就是参数方程。参数方程对于解决实际问题具有重要意义。摆线是一类十分重要的曲线，可以分为平摆线、圆摆线、渐开线三大类。我们常见的大部分曲线都可以看成是摆线的特例，如星形线、心脏线、阿基米德螺线、玫瑰线等等。摆线也是很有用的一类曲线，如最速降线就是平摆线；工厂中常用的齿轮通常是渐开线或圆摆线；公共汽车的两折门利用了星形线的原理。再如像收割机、翻土机等许多农业机械和工厂中的车床等，大都采用的是摆线原理。而且，摆线在天文中也有重要应用，行星相对地球的轨迹、月亮相对太阳的轨迹都可以看作是摆线。
在教学过程中，通常教师都要在参数方程说明摆线，并在黑板上通过绘制摆线，尽力地描述摆线的形成和轨迹，由于摆线的轨迹非常多，形状差异较大，无法通过简单的绘制加以描述，造成了直观教学的困难。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种外摆线轨迹演示装置，能让参观者或学习者更加直观的感受到外摆线的形成和轨迹，并且适合长期的科普和教学使用。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种外摆线轨迹演示装置，该演示装置包括支架以及固设在支架上的支撑轴，所述支撑轴的轴身上套设有与支撑轴构成转动配合的副轴承座，该演示装置还包括固定在所述副轴承座外侧且跟随副轴承座转动的转动部件；所述支撑轴的伸出在副轴承座上部的端头处固设有定圆齿轮，所述转动部件上设置有与所述定圆齿轮构成外啮合的动圆齿轮，所述转动部件与所述动圆齿轮构成转动配合，所述动圆齿轮上固设有与动圆齿轮偏心设置的画笔，该演示装置还包括罩设在所述画笔上侧用于显示画笔轨迹的透明罩；该演示装置还包括用于驱动所述副轴承座绕支撑轴转动的驱动装置，所述驱动装置通过驱动副轴承座旋转而带动动圆齿轮围绕定圆齿轮公转和自转。
优选的，所述定圆齿轮的半径与动圆齿轮的半径之比可调。
优选的，该演示装置还包括设置在支架上的台面板，所述台面板套设固定在所述副轴承座的外侧，所述台面板与所述透明罩构成一个封闭的空间；所述转动部件为套设在副轴承座外侧的圆盘，所述动圆齿轮通过轴承b设置在圆盘上。
优选的，所述画笔是白板笔或发光笔；所述透明罩采用亚克力或玻璃制作。
进一步优选的，当画笔采用白板笔时，白板笔笔尖与所述透明罩顶部接触；当画笔采用发光笔时，发光笔笔尖应与所述透明罩顶部有1-2mm的间隙。
优选的，当画笔采用发光笔时，所述透明罩顶部内壁涂覆长余辉发光材料，或者所述透明罩采用调光玻璃制作。
优选的，所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮，所述手轮套设固定在旋转主轴上，所述旋转主轴与所述副轴承座通过传动机构相联接。
作为传动机构的第一种优选方案，所述传动机构为皮带传动机构，由主皮带轮、皮带以及副皮带轮构成；所述主皮带轮固定安装在旋转主轴上，所述副皮带轮固定安装在副轴承座上，所述主皮带轮通过皮带驱动副皮带轮转动。
作为传动机构的第二种优选方案，所述传动机构为齿轮传动机构，由主齿轮、过渡齿轮以及副齿轮构成；所述主齿轮固定安装在旋转主轴上，所述副齿轮固定安装在副轴承座上，所述主齿轮通过过渡齿轮驱动副齿轮转动。
作为传动机构的第三种优选方案，所述传动机构由发电机、导线以及电动机构成；所述发电机与旋转主轴底部固定连接，所述电动机与副轴承座固定连接，所述发电机经由导线将电传输至电动机并驱使电动机旋转。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明采用由彼此外啮合的定圆齿轮和动圆齿轮所构成的一对齿轮，模拟了一个动圆沿着一个定圆在定圆外作无滑动的滚动的情况，并通过设置在动圆齿轮上的画笔，描述了动圆周上一定点的轨迹。
由于采用了透明罩，因此观众可以清晰地观察到外摆线的形成过程，并且通过动圆齿轮上的画笔和透明罩配合，记录了外摆线的形成过程和轨迹，从而大大促进了参观者或学习者对外摆线的形成和轨迹的认知。
2)、在操作过程中，参观者或学习者通过摇动手轮增加了该装置演示过程中的互动性和趣味性，可以实现人为的控制转速的快慢，大大提高了科普和教学质量，使参观者或学习者能够实现自我“画出”外摆线，并体验外摆线的形成过程。
3)通过在圆盘上的径向不同尺寸处开孔，可以根据需要放置直径不同的动圆齿轮，所述动圆齿轮可以根据直径的大小(此时定圆齿轮和动圆齿轮半径比例或直径比例也大小不同)画出不同的外摆线轨迹。
4)、本演示装置中的画笔有多种选择，比如可以采用白板笔直接在透明罩顶部画出外摆线，当然画笔也可以采用发光笔。
当本演示装置中的画笔采用发光笔，同时透明罩顶部涂覆长余辉发光材料时，由于长余辉发光材料其本质上是一种光致发光材料，又被称为蓄光型发光材料、夜光材料，因此，此时透明罩不但可以显示外摆线的形成过程和轨迹，并且可以通过长余辉发光材料的选择，将外摆线的轨迹在适当的时间内消失(复原)，从而实现在适当的时间内反复显示的技术效果。
当画笔采用发光笔和透明罩顶部采用调光玻璃(即通电玻璃)材料制作时，参观者或学习者首先看到的是发光笔光点的轨迹，在调光玻璃通电变成透明时，才能看到内部机构，可以激发参观者或学习者对摆线形成的探究欲望。
5)、本发明设有活动连接的有机玻璃或玻璃材料制作的透明罩，可根据使用需要打开或关闭有透明罩，在演示过程中，透明罩与台面板构成一个内部可视的封闭空间，降低了外界的干扰，为科普和教学成果提供了保证，同时也发挥了长期放置时的防尘作用。
6)、本发明由人力驱动而无需连接电源，发光笔可采用LED光源和充电电池，可根据实际需要在各种条件和不同场所进行演示，符合目前节能减排的社会需要，并且结构简单，操作方便，易于维护，降低了使用和维护费用，适合于长期的科普和教学使用。
附图说明
图1为本发明手摇式皮带传动结构示意图；
图2为本发明手摇式齿轮传动结构示意图；
图3为本发明手摇式发电机驱动构示意图；
图4为本发明圆盘的俯视图。
图中标记符号的含义如下：
1-手轮 2-旋转主轴 3-主轴承座
4a-主皮带轮 4b-主齿轮 4c-发电机
5a-皮带 5b-过渡齿轮 5c-导线
6a-副皮带轮 6b-副齿轮 6c-电动机
7-固定螺母 8-支架 9-支撑轴
10-固定架 11-副轴承座 12-台面板
13-透明罩 14-圆盘 15-定圆齿轮
16-轴承a 17-画笔 18-动圆齿轮
19-轴承b
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例为一种皮带传动的手摇式外摆线轨迹演示装置。
该演示装置包括固定设置在支架8上的台面板12和支撑轴9，所述支架8的内侧固定设置有固定架10，所述支撑轴9固定设置在固定架10上。该演示装置还包括通过轴承a16可转动地固定在所述支撑轴9外侧的副轴承座11，所述副轴承座11的伸出在所述台面板12的上侧部分固设有圆盘14；所述支撑轴9的伸出圆盘14上侧的轴头处固设有定圆齿轮15；所述圆盘14上设有与所述定圆齿轮15构成外啮合的动圆齿轮18，所述动圆齿轮18通过轴承b19可转动地设置在圆盘14上，所述动圆齿轮的外圆周处固设有与动圆齿轮偏心设置的画笔17。
如图1所示，该演示装置还包括用于驱动所述副轴承座11绕支撑轴9转动的驱动装置，所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮1，所述手轮1设置在台面板12的上部，所述手轮1套设固定在旋转主轴2上，所述旋转主轴2通过主轴承座3可转动地设置在支架8上。所述旋转主轴2穿过台面板12并在下端固定连接了主皮带轮4a，主皮带轮4a通过皮带5a与副皮带轮6a连接，副皮带轮6a套装在副轴承座11上。
如图1所示，该演示装置在圆盘14的上侧盖设有透明罩13，所述透明罩13活动安装在台面板12上，且透明罩13与所述台面板12构成一个封闭的空间。
在旋转主轴2驱动副轴承座11旋转时，所述副轴承座11带动圆盘14旋转，从而带动动圆齿轮18围绕定圆齿轮15公转，与此同时，支撑在轴承b19上的动圆齿轮18也发生自转，此时通过设置在动圆齿轮18上的画笔17和透明罩13，即可展示外摆线的形成过程和轨迹。
下面结合附图对该演示装置的工作过程做详细说明。
首先，参观者或学习者以顺时针或逆时针方向旋转手轮1，驱动旋转主轴2发生旋转，旋转主轴2接着带动主皮带轮4a以及皮带5a旋转，进而副皮带轮6a也随之发生旋转，副皮带轮6a则驱动副轴承座11旋转，副轴承座11则带动圆盘14旋转，在圆盘14的带动下动圆齿轮18围绕定圆齿轮15旋转公转；依次同时，在动圆齿轮18和定圆齿轮15的彼此啮合作用下，动圆齿轮18旋转产生自转，从而带动画笔17运动，参观者或学习者可以通过透明罩13看到外摆线的形成过程和画笔17在透明罩13顶部画出的外摆线轨迹。
当画笔17为白板笔时，画笔17可以在透明罩13顶部平面透明板上画出外摆线轨迹曲线。画出的轨迹可以用白板檫擦去并反复使用。
当画笔17为发光笔时，画笔17可以在顶部平面涂覆了长余辉发光材料的透明罩13上“画”出外摆线轨迹曲线。“画”出外摆线轨迹曲线由于余辉发光材料的特征，可以在一定的时间内“消失”，复原后可以反复使用。
当画笔14采用发光笔和透明罩顶部采用调光玻璃通电玻璃材料时，参观者或学习者首先看到的是发光笔的光点在调光玻璃通电玻璃的轨迹，当调光玻璃通电玻璃通电变成透明时，才能看到内部机构。
当在圆盘14上更换安装不同直径的动圆齿轮18时，可以在透明罩13上画出不同的外摆线轨迹。
实施例2
如图2所示，本实施例为一种齿轮传动的手摇式外摆线轨迹演示装置。
该演示装置包括固定设置在支架8上的台面板12和支撑轴9，所述支架8的内侧固定设置有固定架10，所述支撑轴9固定设置在固定架10上。该演示装置还包括通过轴承a16可转动地固定在所述支撑轴9外侧的副轴承座11，所述副轴承座11的伸出在所述台面板12的上侧部分固设有圆盘14；所述支撑轴9的伸出圆盘14上侧的轴头处固设有定圆齿轮15；所述圆盘14上设有与所述定圆齿轮15构成外啮合的动圆齿轮18，所述动圆齿轮18通过轴承b19可转动地设置在圆盘14上，所述动圆齿轮的外圆周处固设有与动圆齿轮偏心设置的画笔17。
如图2所示，该演示装置还包括用于驱动所述副轴承座11绕支撑轴9转动的驱动装置，所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮1，所述手轮1设置在台面板12的上部，所述手轮1套设固定在旋转主轴2上，所述旋转主轴2通过主轴承座3可转动地设置在支架8上。所述旋转主轴2穿过台面板12并在下端固定连接了主齿轮4b，主齿轮4b通过过渡齿轮5b与副齿轮6b啮合，副齿轮6b套装在副轴承座11上。
如图2所示，该演示装置在圆盘14的上侧盖设有透明罩13，所述透明罩13活动安装在台面板12上，且透明罩13与所述台面板12构成一个封闭的空间。
下面结合附图对该演示装置的工作过程做详细说明。
首先，参观者或学习者以顺时针或逆时针方向旋转手轮1，驱动旋转主轴2发生旋转，旋转主轴2接着带动主齿轮4b以及过渡齿轮5b旋转，进而副齿轮6b也随之发生旋转，副齿轮6b则驱动副轴承座11旋转，副轴承座11着带动圆盘14旋转，在圆盘14的带动下动圆齿轮18围绕定圆齿轮15旋转公转，与此同时，在动圆齿轮18和定圆齿轮15的彼此啮合作用下，动圆齿轮18旋转产生自转，从而带动画笔17运动，参观者或学习者可以通过透明罩13看到外摆线的形成过程和画笔17在透明罩13顶部画出的外摆线轨迹。
当画笔17为白板笔时，画笔17可以在透明罩13顶部平面透明板上画出外摆线轨迹曲线，画出的轨迹可以用白板檫擦去并反复使用。
当画笔17为发光笔时，画笔17可以在顶部平面涂覆了长余辉发光材料的透明罩13上“画”出外摆线轨迹曲线。“画”出外摆线轨迹曲线由于余辉发光材料的特征，可以在一定的时间内“消失”，复原后可以反复使用。
当画笔14采用发光笔和透明罩顶部采用调光玻璃通电玻璃材料时，参观者或学习者首先看到的是发光笔的光点在调光玻璃通电玻璃的轨迹，当调光玻璃通电玻璃通电变成透明时，才能看到内部机构。
当在圆盘14上更换安装不同直径的动圆齿轮18时，可以画出不同的外摆线轨迹。
实施例3
如图3所示，图例为一种发电机驱动的手摇式外摆线轨迹演示装置。
该演示装置包括固定设置在支架8上的台面板12和支撑轴9，所述支架8的内侧固定设置有固定架10，所述支撑轴9固定设置在固定架10上。该演示装置还包括通过轴承a16可转动地固定在所述支撑轴9外侧的副轴承座11，所述副轴承座11的伸出在所述台面板12的上侧部分固设有圆盘14；所述支撑轴9的伸出圆盘14上侧的轴头处固设有定圆齿轮15；所述圆盘14上设有与所述定圆齿轮15构成外啮合的动圆齿轮18，所述动圆齿轮18通过轴承b19可转动地设置在圆盘14上，所述动圆齿轮的外圆周处固设有与动圆齿轮偏心设置的画笔17。
如图3所示，该演示装置还包括用于驱动所述副轴承座11绕支撑轴9转动的驱动装置，所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮1，所述手轮1设置在台面板12的上部，所述手轮1套设固定在旋转主轴2上，所述旋转主轴2通过主轴承座3可转动地设置在支架8上。所述旋转主轴2穿过台面板12并在下端固定连接了发电机4c，电动机6c与副轴承座11固定连接，发电机4c经由导线5c将电传输至电动机6c并驱使电动机6c旋转。
如图3所示，该演示装置在圆盘14的上侧盖设有透明罩13，所述透明罩13活动安装在台面板12上，且透明罩13与所述台面板12构成一个封闭的空间。
下面结合附图对该演示装置的工作过程做详细说明。
首先，参观者或学习者以顺时针或逆时针方向旋转手轮1，驱动旋转主轴2发生旋转，旋转主轴2带动发电机4c发电，电力经过导线5c传输给电动机6c，电动机6c则旋转驱动副轴承座11旋转，副轴承座11则带动圆盘14旋转，在圆盘14的带动下动圆齿轮18围绕定圆齿轮15旋转公转，与此同时，在动圆齿轮18和定圆齿轮15的彼此啮合作用下，动圆齿轮18旋转产生自转，从而带动画笔17运动，参观者或学习者可以通过透明罩13看到外摆线的形成过程和画笔17在透明罩13顶部画出的外摆线轨迹。
当画笔17为白板笔时，画笔17可以在透明罩13顶部平面透明板上画出外摆线轨迹曲线，画出的轨迹可以用白板檫擦去并反复使用。
当画笔17为发光笔时，画笔17可以在顶部平面涂覆了长余辉发光材料的透明罩13上“画”出外摆线轨迹曲线。“画”出外摆线轨迹曲线由于余辉发光材料的特征，可以在一定的时间内“消失”，复原后可以反复使用。
当画笔14采用发光笔和透明罩顶部采用调光玻璃通电玻璃材料时，参观者或学习者首先看到的是发光笔的光点在调光玻璃通电玻璃的轨迹，当调光玻璃通电玻璃通电变成透明时，才能看到内部机构。
当在圆盘14上更换安装不同直径的动圆齿轮18时，可以画出不同的外摆线轨迹。
应当指出，本发明中对台面板12的支撑机构不局限于使用支架8。也可采取其它具有支撑功能的装置，比如，设计用以支撑台面板并且收纳台面板以下各部件的上箱体，台面板卡合在上箱体上端，上箱体的下端连接有下箱体，在上箱体与下箱体之间设有隔板，下箱体的底座处设有封堵在下箱体底部的底板，底板的一边与底座构成铰接配合，底板的另一边设置有与底座联接在一起的插销结构，可以将底板打开或关闭；打开时，可以方便安装或维护内部构件，结束后，可以通过插销关闭底板。
同样，传动装置还可采用其它结构，如链条传动机构。这样的变换均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于，该演示装置包括支架(8)以及固设在支架(8)上的支撑轴(9)，所述支撑轴(9)的轴身上套设有与支撑轴(9)构成转动配合的副轴承座(11)，该演示装置还包括固定在所述副轴承座(11)外侧且跟随副轴承座(11)转动的转动部件；所述支撑轴(9)的伸出在副轴承座(11)上部的端头处固设有定圆齿轮(15)，所述转动部件上设置有与所述定圆齿轮(15)构成外啮合的动圆齿轮(18)，所述转动部件与所述动圆齿轮(18)构成转动配合，所述动圆齿轮(18)上固设有与动圆齿轮(18)偏心设置的画笔(17)，该演示装置还包括罩设在所述画笔(17)上侧用于显示画笔轨迹的透明罩(13)；该演示装置还包括用于驱动所述副轴承座(11)绕支撑轴(9)转动的驱动装置，所述驱动装置通过驱动副轴承座(11)旋转而带动动圆齿轮(18)围绕定圆齿轮(15)公转和自转。
2.根据权利要求1所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：所述定圆齿轮(15)的半径与动圆齿轮(18)的半径之比可调。
3.根据权利要求1所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：该演示装置还包括设置在支架(8)上的台面板(12)，所述台面板(12)套设固定在所述副轴承座(11)的外侧，所述台面板(12)与所述透明罩(13)构成一个封闭的空间；所述转动部件为套设在副轴承座(11)外侧的圆盘(14)，所述动圆齿轮(18)通过轴承b(19)设置在圆盘(14)上。
4.根据权利要求1所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：所述画笔(17)是白板笔或发光笔；所述透明罩(13)采用亚克力或玻璃制作。
5.根据权利要求4所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：当画笔(17)采用白板笔时，白板笔笔尖与所述透明罩(13)顶部接触；当画笔(17)采用发光笔时，发光笔笔尖应与所述透明罩(13)顶部有1-2mm的间隙。
6.根据权利要求5所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：当画笔(17)采用发光笔时，所述透明罩(13)顶部涂覆长余辉发光材料，或者所述透明罩(13)采用调光玻璃制作。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮(1)，所述手轮(1)套设固定在旋转主轴(2)上，所述旋转主轴(2)与所述副轴承座(11)通过传动机构相联接。
8.根据权利要求7所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：所述传动机构为皮带传动机构，由主皮带轮(4a)、皮带(5a)以及副皮带轮(6a)构成；所述主皮带轮(4a)固定安装在旋转主轴(2)上，所述副皮带轮(6a)固定安装在副轴承座(11)上，所述主皮带轮(4a)通过皮带(5a)驱动副皮带轮(6a)转动。
9.根据权利要求7所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：所述传动机构为齿轮传动机构，由主齿轮(4b)、过渡齿轮(5b)以及副齿轮(6b)构成；所述主齿轮(4b)固定安装在旋转主轴(2)上，所述副齿轮(6b)固定安装在副轴承座(11)上，所述主齿轮(4b)通过过渡齿轮(5b)驱动副齿轮(6b)转动。
10.根据权利要求7所述的一种外摆线轨迹演示装置，其特征在于：所述传动机构由发电机(4c)、导线(5c)以及电动机(6c)构成；所述发电机(4c)与旋转主轴(2)底部固定连接，所述电动机(6c)与副轴承座(11)固定连接，所述发电机(4c)经由导线(5c)将电传输至电动机(6c)并驱使电动机(6c)旋转。
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